復合剪叉式工業機械臂的結構設計與研究

(1.蘇州大學 江蘇 蘇州 215006；2.吉威思科技(蘇州)有限公司 江蘇 蘇州 215100)

前言

隨著人民群眾經濟水平的不斷提升，高端技術產品的競爭越來越激烈，傳統制造企業的發展受到了嚴重的沖擊，尤其是工業機器人的廣泛應用代替了流水線工人，制造企業為了承擔高額的成本費用為大量裁員。由此可見，現階段我國制造產業的發展正處于瓶頸階段，要想有效改善這種情況，進一步推動制造業發展的新形勢，還需要加強對高端技術產品的研究與開發，進一步提升工業機器人的工作效率，降低其生產成本，推動制造業的自動化發展。

一、復合剪叉式工業機械臂的基本介紹

復合剪叉式工業機械臂主要由機械本體、動力系統、電控系統和傳感器檢測系統四個方面組成。其中機械本體是指機座和動力機構，像是機械手臂、末端和機械手腕都是機械本體中的重要組成部分，一般情況下，在設計復合剪叉式工業機械臂的時候，都會將機械手臂運動方向的設計為三個自由度，機座的運動方向為一個自由度，機械手腕的運動方向為兩個自由度，最大限度的確保了復合剪叉式工業機械臂的運動范圍；動力系統是復合剪叉式工業機械臂能夠正常運動的基本保障，主要通過動力裝置和傳動機構的配合來執行相應的動作；電控系統主要根據輸入的指令來控制機械本體和動力系統的正常使用；傳感器檢測系統能夠使復合剪叉式工業機械臂具有觸覺、視覺和力覺，即使處于較為復雜的工作環境下，復合剪叉式工業機械臂也能夠正常運行。常見的傳感器有位移傳感器、轉角傳感器、三維力傳感器等[1]。

二、復合剪叉式工業機械臂的優勢地位

近幾年來，中國制造業的發展正面臨著轉型升級的關鍵時期，工業機器人的研究與開發已經成為工業領域經濟建設的必然趨勢，而我國在工業機器人制造方面卻始終停留在傳統階段，所使用的技術工藝、設計理念都比較守舊，仍然存在著工作半徑小、工作效率低、應用載荷大、造價控制高等方面的問題，還需要進一步作出完善。復合剪叉式工業機械臂的設計能夠有效解決上述問題，盡可能降低機械臂對減速器一類關鍵部件的依賴程度，彌補傳統關節式工業機器人先天不足的弊端，進一步提高了關節式工業機器人的工作效率。

三、復合剪叉式工業機械臂的結構設計

(一)機械系統的結構分析

要想確保復合剪叉式工業機械臂能夠充分發揮出其使用優勢，加強對復合剪叉式工業機械臂結構設計的研究是非常必要的，尤其是針對其機械運動組成、工作原理、受力情況等相關基本信息的研究。圖一為機械系統運動的基本構成。

圖一 機械系統運動的基本構成

其中，左側為驅動復合剪叉式工業機械臂運動的左視圖，右側為機械傳動系統的運動主視圖。如圖一所示，機械系統整體結構主要包括四個方面，分別是基座、傳動機構、控制機構和伸縮運動機構。復合剪叉式工業機械臂的工作原理也是圍繞著這四個方面進行的，首先利用基座將機械臂固定住，并且保持在一定的方向上，通過伺服電機的運行來帶動錐齒輪的轉動，并且將動力傳遞給兩側錐齒輪，再由兩側錐齒輪傳遞給與其同軸的直線模組，在絲杠副的驅動下伸出剪叉式機構，最后利用直線導軌進行剪叉式機構的支撐與輔助，確保復合剪叉式工業機械臂的正常運行。

(二)復合剪叉式結構設計

復合剪叉式結構設計是整個機械臂設計內容的關鍵，其結構設計的合理性將會直接影響到傳動機構的設計、錐齒齒箱的結構尺寸、伺服電機的選型等后續工作，因此，加強對復合剪叉式結構設計的研究是非常必要的。復合剪叉式工業機械臂在實際應用的過程中主要以直線運動和轉動為主，其中靜態狀態下會對軸承和銷軸產生徑向力，而運動狀態下會對產生徑向力及由慣性力和阻力而共同引起的部分軸向力。因此，在進行滾珠軸承設計的時候，需要確保滾珠軸承能夠承受徑向力的作用，同時還能夠承受部分軸向力的作用。中間連接件是復合剪叉式機構設計的關鍵部件，其尺寸、型號的選擇將會直接影響到整個復合剪叉式工業機械臂的受力特性，還需要對其中間連接件的設計作出進一步的研究。

(三)傳動機構結構的設計

傳動機構結構的設計主要分為兩個方面，分別是直線模組結構設計和直線導軌結構設計。直線模組結構設計需要結合復合剪叉式結構設計中的相關數據進行計算，分別從復合剪叉式受到外部載荷和不受外部載荷兩個角度進行分析，進一步確定滾珠絲杠的參數，但是所得到的滾珠絲杠參數并不是最終結果，還需要針對其他物理量進行滾珠絲杠尺寸設計和校對。直線導軌結構設計是復合剪叉式工業機械臂中傳動機構的重要組成部分，與直線模組結構設計不同的是，直線導軌結構設計沒有滾珠絲杠來進行精確定位，還需要結合其他參數進行分析。

(四)錐齒齒輪箱結構設計

當直線模組和直線導軌結構設計確定以后，就可以開始進行錐齒齒輪箱結構的設計，在不影響復合剪叉式機構正常收縮的情況下，對直線模組和直線導軌運動輸入端部與復合剪叉式機構固定端點圍成的尺寸進行分析，確保所形成的錐齒齒輪箱空間最大化。通常錐齒齒輪箱主要分為兩個部分，分別是錐齒輪箱箱體和錐齒輪組，只有確定錐齒輪箱體內錐齒輪組的尺寸和結構，才能夠進一步確定錐齒輪箱箱體的結構設計，從而設計出既能夠滿足復合剪叉式工業機械臂剛性要求。

結論

綜上分析可知，隨著科學技術的不斷發展，關節式工業機器人在制造領域中的應用越來越常見，其結構設計將會直接影響到復合剪叉式工業機械臂的使用性能。目前，我國在關節式工業機器人的使用上還存在很多的不足之處，為了能夠有效緩解這些問題，本文提出了一種長跨度、高速度、高精度的復合剪叉式工業機械臂，能夠有效彌補傳統關節式工業機器人在使用過程中存在的不足之處，對于推動我國制造業的發展有很大的幫助。